工程應用驅動下的城市軌道車輛專業實踐教學改革探討

崔曉璐 黃博 祁亞運 陳仁祥 文孝霞

摘? 要：為加強城市軌道車輛專業學生工程應用能力的培養，基于CAD/CAE技術提出理論講授與軟件實踐穿插式的教學模式。將專業主流工程應用軟件作為學生的實踐平臺和設計分析手段并結合理論知識貫穿于專業教學，使理論知識和工程應用有機結合。通過在教學體系、教學內容和教學方法等具體實施策略方面進行改革，構建工程應用驅動下基于CAD/CAE技術的城市軌道車輛專業實踐教學模式，為培養具有城市軌道交通特色的車輛工程專業高級應用型人才提供全新思路。

關鍵詞：工程應用? 教學改革? CAD/CAE? 城市軌道車輛專業

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（b）-0210-04

Abstract： In order to strengthen the engineering application ability of urban rail vehicle students， based on the CAD/CAE technology， a theoretical teaching and software practice interspersed teaching mode is proposed. The professional mainstream engineering application software is used as a practical platform and design analysis methods for student and is combined with the theoretical knowledge throughout professional teaching， so that the theoretical knowledge and engineering applications are organically combined. According to reform on the specific implementation strategies such as teaching system， teaching content and teaching methods， a practical teaching mode for urban rail vehicles based on CAD/CAE technology driven by engineering applications is constructed， which provides new ideas for the cultivation of advanced application-oriented talents with the characteristics of urban rail vehicle engineering.

Key Words： Engineering application; Teaching reform; CAD/CAE; Urban rail vehicle engineering

隨著城市化進程的逐步加速，中國的城市軌道交通建設將迎來黃金發展期。在國家宏觀政策引導和扶持下，中國在“十三五”期間，全國城市軌道交通將會有3000km左右新建成并投入運營，中國城市軌道交通將進入另一個蓬勃發展時期，預計于2050年規劃線路將增加到289條，全國城市軌道總里程將達到11700km。隨著城市軌道的高速發展，對于城市軌道車輛相關專業的人才需求量也在逐年增加。特別是近些年隨著科技的高速發展，對于該行業中高級應用型人才的需求更為迫切。產業結構的巨大改變導致人才需求結構發生變化，為使人才供給結構與需求結構相適應，需依靠教育體系結構的改革升級，因此高校在培養城市軌道車輛專業學生的過程中，應注重學生實踐能力和創新能力的培養。然而縱觀國內目前大部分本科相關專業的實踐教學模式，主要還是側重于理論知識，盡管已經加設了許多實踐教學環節，但離高級應用型人才的培養仍有差距。顯然，傳統的重理論輕實踐的實踐教學模式已無法滿足城市軌道車輛專業高級應用型人才的能力需求。

由于城市軌道車輛在科學技術的發展下集成了許多的新工藝、新技術和新方法，這就需要一大批既有一定專業理論知識，又有較強實踐能力，能綜合運用所學的新理論、新知識分析新情況，解決新問題的城市軌道車輛高級應用型人才。CAD/CAE技術作為工程應用的必備技術，在工程應用的驅動下，為促進學生的工程實踐能力和創新探索能力，實現高級應用型人才的培養，基于CAD/CAE技術對城市軌道車輛工程專業的實踐教學進行探索和研究勢在必行。

1? 城市軌道車輛專業實踐教學問題分析

通過對中車旗下多個車輛制造企業、多個地鐵運營公司等相關用人單位走訪，普遍反映主要集中在學生的工程應用能力較為欠缺，不能真正達到企業所需高級應用型人才知識、技能和素質的要求。反饋到人才的培養過程中，發現實踐環節缺乏針對性、創新性，實踐學時遠遠低于理論學習，學生的工程實踐能力和創新設計訓練較為薄弱。究其原因，主要表現在教學體系、教學內容、教學方式的評估方面。

（1）教學體系中理論教學和實踐教學關聯性弱。

城市軌道車輛人才需要極強的實踐動手能力，而在現有的工科教學體系中，首先，課程內容和工程應用脫節較大。并且理論課程比重較大，工程實踐訓練在學分比重上較比以往有所提高但受限于實習場地等因素而流于形式，缺少構建面向工程應用知識結構的實踐內容，理論學習和工程實踐嚴重脫離，導致學生畢業后在面對實際工程問題時無從下手。因此，在教學體系的改革中，需以工程應用為驅動導向，將理論教學和實踐教學融合，穿插進行，并通過這種方式將專業課程之間搭建連接平臺，實現全周期教學體系的綜合優化。

（2）實踐教學采用傳統單一灌輸式的教學方式。

現有的教學方式較為單一，大多仍采用教師為中心的單向傳授知識模式，在軌道車輛專業的授課內容上仍是對結構原理、計算分析、經典例題進行講解。在這種模式下，學生被動地接受知識，課堂交互性較差。盡管目前網絡課堂和翻轉課堂已經取得了一定功效，但如何做到課堂生動、學生主動，仍是一個難題。因此，在教學方式的改革中，需采用混合教學模式，充分結合網絡教學和理論教學的優勢，運用多種新型教學方法以提高學生的學習興趣，實現真正意義上的翻轉課堂。

2? 基于CAD/CAE技術的城市軌道車輛專業實踐教學改革

2.1 教學體系與教學內容改革

基于城市軌道車輛專業的培養目標，在工程應用驅動下，為實現理論教學與CAD/CAE技術交互式的實踐教學模式，需要從教學體系和教學內容上進行改革，首先是結合培養目標和人才需求對工程應用軟件的合理選用，然后將工程應用軟件與課程體系進行“三模塊”的全周期貫穿，基本思路如圖1所示。

（1）工程應用軟件的合理選用。

圍繞城市軌道車輛專業人才的培養目標，結合社會和軌道車輛工程專業的人才需求，調研現行企業應用或高校研究中城市軌道車輛的主流計算機輔助技術，大體可以分為二維設計、三維建模、動力學分析和有限元分析。結合現有平臺的師資、設備及項目領域狀況，對這些計算機輔助技術同類別的工程應用軟件進行篩選，選擇易于本專業教學實施的工程應用軟件。目前初步構想為在二維設計中常用軟件為CAD（專業圖紙查看編輯），在三維建模中常用軟件為Catia（裝配模型處理、工程圖紙標準化），在動力學分析中常用軟件為Simpack（軌道車輛動力學模塊），在有限元分析中常用軟件為Abaqus（與Catia和Simpack有交互接口，強大的非線性問題分析能力）。

（2）工程應用軟件與課程體系的融合。

基于城市軌道車輛專業現有教學體系，主要包括了三大模塊：車輛構造、車輛強度和車輛動力學。車輛構造主要是對軌道車輛基本原理和結構原理的介紹，重點圍繞城市軌道車輛的部件和總體設計，可以在教學內容的開展中貫穿二維設計軟件和三維設計軟件的教學。車輛強度主要是對軌道車輛結構承受的作用載荷的分析，確定作用載荷在車輛結構中產生的應力和變形，確定結構在保證運輸安全和耐久條件下，許用應力、剛度和疲勞評估方法，重點圍繞軌道車輛結構的強度評估，可以在教學內容的開展中貫穿有限元軟件的教學。車輛動力學主要是對車輛動力學性能和評價指標的分析，重點圍繞運動過程中車輛系統的動力學性能，可以在教學內容的開展中貫穿動力學軟件的教學。綜合城市軌道車輛工程專業的課程體系，建立車輛構造、車輛強度和車輛動力學“三模塊”課程內容和工程軟件結合的課程體系，根據工程軟件具有的功能與現代設計手段重新設計課程的教學內容，充分利用工程軟件給設計、分析、制造等帶來的便利，突破傳統教學中理論教學的單一性，使學生在理論學習中有工具可用，并在工具應用過程中提高理論理解。

2.2 教學方法改革

圍繞教學體系和教學內容的改革，在教學方法上也需要進行改革和創新，主要從教學工具、教學案例和教學分組上“多方面貫通”整個教學過程。智能化的教學工具實現課前、課上和課后的貫通，工程化的教學案例實現工程全周期的貫通，分組協作實現“構思-設計-實現-反思”的教學理念貫通。

（1）智能化教學工具貫通課前、課上、課后。

伴隨著信息化運用教學的進步和發展，互聯網的運用和發展促進了教學手段的更新，作為一款適用于工科教學的智能化教學工具，雨課堂能夠將信息技術、PPT和微信結合，把課前、課上、課后貫通，將面對面的教學方式和線上學習的方式融合，推進學生和老師的互動交流。擬利用雨課堂將理論授課和軟件實踐穿插于課堂中。課前教師可以把視頻、課件等教學資料發布，學生可以實現在線的預習，教師可以通過了解學生的預習情況。課堂學習中，學生通過對教學內容不懂處進行標注，讓教師得到相應的教學數據，及時調整授課進程。教師也可實時發布聯系，檢驗教學效果。同時，雨課堂的“彈幕”功能可以加強師生間的即時溝通，調動課堂氛圍。課后復習，雨課堂的資料保存可以使學生隨時對教學內容進行回顧。

（2）工程教學案例貫通工程全周期。

典型的教學案例能夠優化整個課堂教學過程，尤其是城市軌道車輛專業，需要結合工程需求選取教學案例。同時，考慮城市軌道車輛專業課程之間的關聯性，擬采用工程教學案例將理論課程串聯，比如不同型號轉向架、制動機構、牽引機構的整體設計，在車輛工程的課程中對其構造進行講解，結合CAD初步設計尺寸，輔助Catia完成三維模型的建立。在有限元課程中基于有限元理論，采用Abaqus對關鍵結構部件進行產品結構性能的提前預測和加工制造的可行性評估。進而考慮車輛系統的動力學特性，基于動力學理論采用Simpack完成產品的運動特性模擬和運行性能評估。通過工程案例，依據理論基礎，結合軟件實踐，引導學生完成實際工程的全周期設計分析。

（3）分組協作貫通現代教育理念。

在學生全周期實際工程的設計分析中，擬采用分組形式讓學生對全周期的實際工程問題進行協同合作，把合適的工程項目課題適當融入到實踐教學環節。首先，擬通過任務驅動，讓小組成員進行頭腦風暴，提高其創新能力。然后，在整體任務的設置中考慮一定的難度系數，通過教師課上引導，學生課后查找資料，提高其檢索能力。確定方案后，結合理論教學和軟件實踐，成員分工合作，選擇最優設計，提高其設計能力。最后通過小組任務小結和自評，提高其總結與反思能力。通過任務驅動，讓學生學會創新思考，查詢資料，分工合作。通過這種分組競爭機制，遵循“構思-設計-實現-反思”的現代工程教育理念，實現學生之間的優勢互補，共同成長和共同進步。

3? 結語

本文通過探索工程應用驅動下基于CAD/CAE技術的城市軌道車輛專業實踐教學模式，為城市軌道交通車輛專業教學運行模式提供可操作的全周期實踐教學方案，建立“三模塊”工程應用軟件與課程體系融合的教學體系和教學內容，提出智能化、工程化、分組化的“多方面貫通”教學方法，從而促進學生“理論知識、工程實踐、創新探索”能力的全面發展。

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